來源 | Applied Physics Letters

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背景介紹

精密電子器件要求保持所需的工作溫度，過冷或過熱會極大地影響器件的性能。傳統的主動熱管理方法存在一定的弊端，而輻射熱管理具有零能耗和高集成度等優點，在精密電子儀器中具有獨特的優勢。其相關的涂層設計適合于太陽光照射可能引入溫度變化的空間環境。為了實現熱動態平衡，在變化的熱環境中動態穩定溫度，輻射外殼要求發射率能夠根據被保護物體的熱狀態做出響應，從而動態調節熱負荷，穩定溫度。

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成果掠影

近期，香港中文大學徐建斌老師、浙江大學周毅老師、浙江大學馬云貴老師團隊聯合開發了一種由優化厚度的Al，Si，VO2和ZnS薄膜制成的智能熱涂層，可以被動地將物體(硅芯片)的溫度維持在預定義的熱窗口中，以避免真空中的過熱或過冷。該技術采用多層結構，其中包含30 nm厚的VO2相變介質，在不同溫度下對發射率具有300 %的調制深度。實驗中，1.78 μm厚的智能涂層可使普通涂層的溫度穩定性提高2.0倍。這項工作的潛力仍然在于熱輻射，特別是在空間應用中的智能溫度管理。研究成果以“Radiative thermal coats for passive temperature management”為題發表于《Applied Physics Letters》。

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圖文導讀

圖1. 基于發射率可切換涂層的熱穩態。(a）T<Tc時，呈現大輻射特性(b)T>Tc時，呈現大輻射特性。T是物體的溫度，Tc是所用PCM的臨界溫度。

圖2.  ( a )智能涂層的結構和參考文獻A和B的結構。( b )理論發射率(角度平均)是加熱(紅色)和冷卻(藍色)過程中樣品工作溫度的函數。( c )在h1 = 0、30、60時，分別取介質(磚紅色)、金屬VO2 (黃色)和A (綠色)、B (灰色)試樣的輻射光譜。( d )黑體(黑色)、樣品(紅色和藍色)、參考A (綠色)和B (灰色)的理論輻射功率隨工作溫度的變化。

圖3. ( a )多層涂層截面的SEM圖像。( b ) VO2在介電(藍色)和金屬(紅色)狀態下復折射率的實部(實線)和虛部(虛線)。( c )在301 K (藍色曲線)，353 K (紅色曲線)和中間溫度(顏色從藍色到紅色漸變)下的光譜發射率。加熱和冷卻過程的譜線分別用實線和虛線表示。參考文獻A和B的實測光譜發射率分別用綠色和灰色實心線表示。( d )加熱(紅色)和冷卻(藍色)過程的平均發射率。

圖4.  ( a )實驗裝置示意圖。使用熱成像儀捕獲被智能涂層覆蓋的本征硅。( b )以激光為輸入(上面板)，試樣和A、B參照物的溫度變化曲線(下面板)。圖中實線為理論計算，星點為實驗測量。( c )在不考慮熱傳導的空間環境中，試樣和A、B參考物的溫度變化預測曲線。

END

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